Електричний струм у напівпровідниках

1-й семестр

ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ЯВИЩА

2. Електричний струм

Урок 30/36

Тема. Електричний струм у напівпровідниках

Мета уроку: сформувати уявлення про вільних носіїв електричного заряду в напівпровідниках і про природу електричного струму в напівпровідниках.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

План уроку

Контроль знань

5 хв.

1. Іскровий розряд і його застосування.

2. Дуговий розряд і його застосування.

3. Коронний розряд і його застосування.

4. Тліючий розряд і його застосування.

Демонстрації

5 хв.

Фрагменти відеофільму “Струм у напівпровідниках”

Вивчення нового матеріалу

30 хв.

1. Що таке напівпровідники?

2. Носії зарядів у напівпровідниках.

3. Домішкова провідність напівпровідників.

4. Використання напівпровідників

Закріплення вивченого матеріалу

5 хв.

1. Контрольні питання.

2. Навчаємося розв’язувати задачі

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Що таке напівпровідники?

Для того, щоб пояснити учням походження назви “напівпровідники” розглянемо спочатку таблицю питомих опорів (Ом-м за 20 °С):

Метал

Питомий опір

Напівпровідник

Питомий опір

Діелектрик

Питомий опір

Срібло

1,6 – 10-8

Телур

2,5 – 10-3

Скло

2 – 1011

Мідь

1,7 – 10-8

Германій

5,0 – 10-2

Порцеляна

3 – 1012

Сталь

1,2 – 10-7

Селен

102-104

Ебоніт

2 – 1013

Ніхром

1,1 – 10-6

Закис міді

1 – 107

Сірка

3 – 1015

Як видно з таблиці, питомі опори напівпровідників за кімнатної температури мають значення, що перебувають у широкому інтервалі, тобто від 10-3 до 107 Ом – м, і є проміжною ланкою між металами й діелектриками.

O Напівпровідники – речовини, питомий опір яких стрімко зменшується з підвищенням температури.

До напівпровідників належать багато хімічних елементів (бор, кремній, германій, фосфор, миш’як, селен, телур та ін.), величезна кількість мінералів, сплавів і хімічних сполук. Майже всі неорганічні речовини навколишнього світу – напівпровідники.

2. Носії зарядів у напівпровідниках

За досить низьких температур і відсутності зовнішніх впливів (наприклад, освітлення чи нагрівання) напівпровідники не проводять електричний струм: за цих умов всі електрони в напівпровідниках є зв’язаними.

Однак зв’язок електронів зі своїми атомами в напівпровідниках не такий міцний, як у діелектриках. І при підвищенні температури, а так само при яскравому висвітленні деякі електрони відриваються від своїх атомів і стають вільними зарядами, тобто можуть переміщатися через увесь зразок.

Завдяки цьому в напівпровідниках з’являються негативні носії заряду – вільні електрони.

O Провідність напівпровідника, обумовлену рухом електронів, називають електронною.

Коли електрон відривається від атома, позитивний заряд цього атома стає некомпенсованим, тобто в цьому місці з’являється зайвий позитивний заряд. Цей позитивний заряд називають “діркою”. Атом, поблизу якого утворилася дірка, може відібрати зв’язаний електрон у сусіднього атома – при цьому дірка переміститься до сусіднього атома, а той атом, у свою чергу, може “передати” дірку далі.

Таке “естафетне” переміщення зв’язаних електронів можна розглядати як переміщення дірок, тобто позитивних зарядів.

O Провідність напівпровідника, обумовлену рухом дірок, називають дірковою.

Таким чином, відмінність діркової провідності від електронної полягає в тому, що електронна провідність обумовлена переміщенням у напівпровідниках вільних електронів, а діркова – переміщенням зв’язаних електронів.

У чистому напівпровіднику (без домішок) електричний струм створює однакову кількість вільних електронів і дірок. Таку провідність називають власною провідністю напівпровідників.

3. Домішкова провідність напівпровідників

Якщо додати в чистий розплавлений кремній невелику кількість миш’яку (приблизно 10-5 %), після затвердіння утворюються звичайні кристалічні решітки кремнію, але в деяких вузлах решіток замість атомів кремнію будуть знаходитися атоми миш’яку.

Миш’як, як відомо, п’ятивалентний елемент. Чотири валентних електрони утворюють парні електронні зв’язки із сусідніми атомами кремнію. П’ятому ж, валентному, електрону зв’язку не вистачить, при цьому він буде так слабко зв’язаний з атомом миш’яку, що легко стає вільним. У результаті кожен атом домішки дасть один вільний електрон.

Електричний струм у напівпровідниках

O Домішки, атоми яких легко віддають електрони, називаються донорними.

Електрони з атомів кремнію можуть ставати вільними, утворити дірку, тому в кристалі можуть одночасно існувати й вільні електрони й дірки. Однак вільних електронів буде значно більше, ніж дірок.

O Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є електрони, називають напівпровідниками n-типу.

Якщо в кремній додати невелику кількість тривалентного індію, то характер провідності напівпровідника зміниться. Оскільки індій має три валентних електрони, то він може встановити ковалентний зв’язок тільки з трьома сусідніми атомами. Для встановлення зв’язку з четвертим атомом електрона не вистачить. Індій “позичить” електрон у сусідніх атомів, у результаті кожен атом індію утворить одне вакантне місце – дірку.

Електричний струм у напівпровідниках

O Домішки, що “захоплюють” електрони атомів кристалічних решіток напівпровідників, називаються акцепторними.

У випадку акцепторної домішки основними носіями заряду при проходженні електричного струму через напівпровідник є дірки.

O Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є дірки, називають напівпровідниками р-типу.

Практично всі напівпровідники містять і донорні й акцепторні домішки. Тип провідності напівпровідника визначається домішкою з більш високою концентрацією носіїв заряду – електронів і дірок.

4. Використання напівпровідників

Широке використання напівпровідників обумовлене кількома причинами.

По-перше, опір напівпровідників залежить від температури – зі збільшенням температури опір напівпровідників різко зменшується, тому сила струму в колі при цьому збільшується. Залежність опору напівпровідників від температури використовують у терморезисторах (чи термісторах).

Термістори використовуються для вимірювання температури, для підтримки постійної температури в автоматичних пристроях.

По-друге, опір напівпровідників зменшується у випадку збільшення освітленості. Напівпровідникові прилади, у яких використовується властивість змінювати свій опір залежно від освітленості, називають фоторезисторами. Фоторезистори використовуються для вимірювання освітленості, для контролю якості поверхні тощо.

По-третє, у місці контакту двох напівпровідників p – і n-типу спостерігається ряд цікавих явищ. Наприклад, електричний струм через такий контакт добре проходить в одному напрямку і практично не проходить у зворотному. Це явище називаєтя однобічна провідність. Властивості p-n-переходу використовують для виготовлення напівпровідникових діодів і транзисторів, без яких не обходиться жодний сучасний пристрій; фотоелементів, у яких енергія падаючого світла перетворюється в електричну енергію.

Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу

– Чому опір напівпровідникових матеріалів залежить від температури?

– Як змінюється питомий електричний опір напівпровідників: а) при нагріванні; б) при освітленні?

– Чому опір напівпровідників суттєво залежить від наявності домішок?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Як можна змінювати тип носіїв у напівпровіднику?

2. Чому вимоги до чистоти напівпровідникових матеріалів дуже високі (у ряді випадків не допускається наявність навіть одного атома домішки на мільйон атомів)?

3. Після введення в германій домішки миш’яку концентрація електронів провідності збільшилася. Як змінилася при цьому концентрація дірок?

2). Навчаємося розв’язувати задачі

1. Яку провідність (електронну чи діркову) має кремній з домішкою галію? Індію? Фосфору? Сурми?

2. Яка провідність (електронна чи діркова) буде в кремнію, якщо до нього додати фосфор? Бор? Алюміній? Миш’як?

3. Як зміниться опір зразка кремнію з домішкою фосфору, якщо ввести в нього домішку галію? Концентрація атомів фосфору і галію однакова. (Відповідь: збільшиться)

Що ми дізналися на уроці

– Напівпровідники – речовини, питомий опір яких дуже швидко зменшується з підвищенням температури.

– Провідність напівпровідника, обумовлену рухом електронів, називають електронною.

– Провідність напівпровідників, обумовлену рухом дірок, називають дірковою провідністю.

– Домішки, атоми яких легко віддають електрони, називаються донорними.

– Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є електрони, називають напівпровідниками n-типу.

– Домішки, що “захоплюють” електрони атомів кристалічних решіток напівпровідників, називаються акцепторними.

– Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є дірки, називають напівпровідниками р-типу.

Домашнє завдання

1. Підр.: § 23.

2. Зб.:

Рів1 – № 11.15; 11.16; 11.17; 11.32.

Рів2 – № 11.33; 11.34; 11.35; 11.48.

3. Д.: підготуватися до самостійної роботи № 11.

Задачі із самостійної роботи № 11 “Електричний струм у різних середовищах”

Середній рівень

1. а) Чиста дистильована вода і кам’яна сіль є ізоляторами. Чому ж розчин солі у воді є провідником?

Б) Рухом яких заряджених частинок створюється електричний струм у газах?

2. а) Чим відрізняється електропровідність розчинів чи розплавів електролітів від електропровідності металів?

Б) Наведіть приклади практичного використання газового розряду.

Достатній рівень

1. а) У чому відмінність провідності газів при самостійному і не самостійному розрядах?

Б) Визначте, яка маса алюмінію відкладеться на катоді за 10 год. під час електролізу Al2(SO4)3, якщо сила струму через електроліт дорівнює 1 А. Електрохімічний еквівалент алюмінію дорівнює 0,093-10-6 кг/Кл.

2. а) Як відрізняються за питомим опором провідники, напівпровідники і діелектрики?

Б) У процесі електролізу з водяного розчину срібної солі виділилося 500 мг срібла. Який заряд пройшов через електролітичну ванну? Електрохімічний еквівалент срібла дорівнює 1,12-10-6 кг/Кл.

Високий рівень

1. Визначте масу срібла, що виділилося на катоді при електролізі азотнокислого срібла за 2 год., якщо до розчину прикладена напруга 2 В, а його опір 5 Ом. (k = 1,12-10-6 кг/Кл)

2. Які витрати енергії на одержання 1 кг алюмінію, якщо електроліз солі алюмінію ведеться під напругою 5,5 В (k = 0,093 10-6 кг/Кл).

1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (1 votes, average: 5.00 out of 5)

Електричний струм у напівпровідниках - Плани-конспекти уроків по фізиці